Badanie rozkładu pola naprężeń eksploatacyjnych pod izolowanym filarem w ścisłej pokładzie węgla oraz racjonalne usytuowanie wyrobiska

Dlaczego kształt pola naprężeń pod ziemią ma znaczenie

Głęboko pod ziemią kopalnie węgla polegają na wąskich chodnikach, czyli wyrobiskach, do przemieszczania ludzi, sprzętu i powietrza. W wielu chińskich złożach pokłady leżą blisko siebie, więc wydobycie jednego pokładu zakłóca skały nad i pod nim. W tym badaniu przyjrzano się zjawiskom zachodzącym pod pozostawionym „wyspowym” filarem w górnym pokładzie i postawiono praktyczne pytanie o konsekwencjach dla bezpieczeństwa: gdzie należy umieścić kolejne wyrobisko w dolnym pokładzie, żeby pozostało stabilne i bezpieczne w czasie?

Warstwy skały i pozostawiony węgiel

Badacze skoncentrowali się na kopalni w prowincji Guizhou w Chinach, gdzie górny pokład (oznaczony jako nr 1) został już wydobyty, pozostawiając gruby, izolowany filar węgla pomiędzy dwoma zapadniętymi, zagęszczonymi pustkami (chamami). Około 12 metrów niżej znajduje się cieńszy dolny pokład (nr 3), w którym trzeba wykonać nowe wyrobisko. Ponieważ pokłady są blisko siebie, a kopalnia jest głęboka, naprężenia spowodowane wcześniejszym wydobyciem nie znikają — koncentrują się wokół izolowanego filara i przenikają w dół przez skałę, zmieniając zachowanie dolnego pokładu. Zrozumienie tego rozkładu jest kluczowe dla decyzji, gdzie poprowadzić wyrobisko, aby skała otaczająca deformowała się łagodnie, a nie zawaliła gwałtownie.

Mapowanie niewidocznych sił w skale

Aby śledzić, jak naprężenia przemieszczają się przez skałę pod filarem, zespół połączył trzy podejścia. Najpierw skonstruowano analityczny model mechaniczny, traktujący skałę pod górnym pokładem jako ośrodek sprężysty obciążony ciężarem nadległych warstw, filarem węglowym oraz zagęszczonym rumowiskiem w wyrobiskach. Model ten daje wzory opisujące, jak zmieniają się naprężenia poziome, pionowe i ścinające z głębokością. Następnie użyto FLAC3D, szeroko stosowanego programu do symulacji numerycznych, aby stworzyć trójwymiarową cyfrową kopalnię z filarem, chamami i dolnym pokładem. Wreszcie wyniki teoretyczne i numeryczne porównano z obserwacjami terenowymi i danymi pomiarowymi z rzeczywistej kopalni. Obie metody były ze sobą zgodne, wykazując silne koncentracje naprężeń przy krawędziach izolowanego filara oraz charakterystyczny siodłowy rozkład naprężeń w warstwach podłogowych.

Odnalezienie strefy uspokojenia pod filarem

Symulacje wykazały, że naprężenie pochodzące od izolowanego filara nie działa po prostu pionowo w dół. Zamiast tego rozchodzi się w podłoże pod kątem i stopniowo słabnie z głębokością. Blisko górnego pokładu różnice między głównymi naprężeniami ściskającymi są duże i pokazują dwupikowy wzór po obu stronach osi filara. W większej głębokości podwójny pik przekształca się w pojedynczy, płaskszy pik. Co istotne, na poziomie dolnego pokładu nr 3 bezpośrednio pod środkiem filara różnica między naprężeniami głównymi jest stosunkowo niewielka — znacznie mniejsza niż pod krawędziami filara czy w pobliżu granic chamu. Oznacza to, że skała tam jest mniej podatna na intensywne ścinanie i pękanie, co sugeruje naturalną „cichą strefę” odpowiednią do usytuowania wyrobiska.

Jak pozycja wyrobiska zmienia uszkodzenia skały

Aby sprawdzić, jak pozycja wyrobiska wpływa na uszkodzenia, autorzy zasymulowali tunele wykonane na różnych przesunięciach bocznych pod filarem. Zbadali dwa powiązane wielkości: naprężenie odkształceniowe (które napędza deformacje zmieniające kształt) oraz strefę plastyczną (gdzie skała uległa uplastycznieniu i doznała trwałego uszkodzenia). Gdy wyrobisko było umieszczone bezpośrednio pod osią filara, rozkład naprężeń odkształceniowych wokół niego był prawie symetryczny, a strefa plastyczna tworzyła zwarte, w przybliżeniu eliptyczne halo skoncentrowane w stropie i po bokach. W miarę przesuwania wyrobiska w stronę którejkolwiek krawędzi wzór naprężeń obracał się i wydłużał, a strefa plastyczna przekształcała się z uporządkowanej elipsy w zdeformowany, motylkowy kształt sięgający w kierunku pobliskiej podłogi chamu. W tych przesuniętych pozycjach uszkodzone strefy łączyły się ze osłabionymi rejonami powyżej, znacznie zwiększając ryzyko dużych, nierównomiernych deformacji i utrudniając zabezpieczenie.

Wybór najbezpieczniejszej strefy wyrobiska

W oparciu o te obserwacje badacze zastosowali ramy analizy „motylkowego” typu awarii, dzieląc potencjalny rejon wyrobiska na trzy strefy w oparciu o dwa wskaźniki: stosunek naprężeń głównych oraz ich różnicę. Jedna strefa charakteryzuje się wysokim stosunkiem naprężeń i jest podatna na niestabilne awarie typu motyla; druga jest silnie wpływana przez oba wskaźniki i stanowi najgorszy wybór dla usytuowania wyrobiska. Trzecia, nazwana R-III, odpowiada lokalizacjom, gdzie zarówno stosunek naprężeń, jak i ich różnica są stosunkowo małe. W ich studium przypadku ta optymalna strefa leży bezpośrednio pod izolowanym filarem. Wyrobisko wykonane tam i zabezpieczone długimi kotwami i kablami stropowymi wykazało kontrolowalne odkształcenia w monitoringu terenowym: domknięcie stropu i podłoża oraz zbieżność boków utrzymywały się w akceptowalnych granicach przez 40-dniowy okres obserwacji. Dla czytelników niebędących specjalistami kluczowy wniosek brzmi: „ukrywając” wyrobisko w najbardziej spokojnej części złożonego pola naprężeń — bezpośrednio pod filarem, a nie obok niego — inżynierowie mogą znacząco poprawić bezpieczeństwo i zmniejszyć problemy eksploatacyjne w głębokich, blisko położonych pokładach węgla.

Cytowanie: Shu, S., Wang, W., Liu, C. et al. Study on the mining stress field distribution law beneath isolated coal pillar in close coal seam and reasonable location of the roadway. Sci Rep 16, 12281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40452-3

Słowa kluczowe: filar węglowy, wyrobisko podziemne, naprężenia skalne, stabilność kopalni, symulacja numeryczna